科學家研究嵌入半導體鐵磁納米粒子系統

宗華

未來，超高速自旋電子學將需要皮秒（1萬億分之一秒）內的超快相干磁化逆轉。自旋電子學主要研究固態器件中電子的自旋和磁矩。雖然這最終可能通過使用單環太赫茲脈沖的輻照實現，但它產生的磁化強度或調制的微小變化，迄今為止阻礙了這項技術的任何實際應用。

一般認為，太赫茲脈沖的“磁場”組分是磁化相干太赫茲響應的起源。不過，正如日本東京大學研究人員此前發現的，太赫茲脈沖的“電場”組分在半導體鐵磁材料的太赫茲磁化調制中起著關鍵作用。

如今，該團隊稱，他們最初的發現為其研究嵌入半導體的鐵磁性納米顆粒提供了靈感。他們的理論是，太赫茲脈沖在半導體中傳播時能量損耗很小，因此太赫茲脈沖的電場可有效應用于每個納米粒子。

為驗證這一理論，研究團隊使用了一種100納米厚的半導體砷化鎵薄膜。薄膜中嵌入了磁性砷化錳（MnAs）納米顆粒。

“太赫茲脈沖在我們的薄膜中傳播時能量損耗很小，從而使其得以穿透薄膜。這意味著強太赫茲電場——最大強度為200千伏/厘米——被均勻地應用于所有的鐵磁性納米粒子。”東京大學副教授Ohya Shinobu介紹說，“由于自旋—軌道相互作用，這種強電場通過調制MnAs納米顆粒中的載流子密度誘導大磁化調制。”

研究人員成功獲得了飽和磁化強度達20%的大調制，并且提出，太赫茲脈沖的電場組分在大調制中起著關鍵作用。

“我們的研究結果將帶來皮秒內的超快相干磁化逆轉，而這將是超高速自旋電子學的一項重要技術。”Ohya說。